探究基于階次分析的永磁同步電機(jī)噪聲源識別

于莫巖，劉　茜，陳　勇，高　星

(河北工業(yè)大學(xué) 新能源汽車研究中心，天津　300000)

0　前　言

永磁同步電機(jī)是一種具有較高運(yùn)用價(jià)值的電機(jī)類型，可廣泛應(yīng)用到汽車工業(yè)等。在具體的工作中，永磁同步電機(jī)的變頻器供電產(chǎn)生大量的諧波電流，并對氣隙磁場造成影響，進(jìn)而造成大量的諧波磁場。諧波磁場會(huì)對徑向力的波幅與階次的造成影響，甚至?xí)斐蓮较蛄Σl率與永磁同步電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生共振，導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)振動(dòng)和噪聲增加[1-4]?；诖?，本文展開對基于階次分析的永磁同步電動(dòng)機(jī)噪聲源識別展開分析，研究具體噪聲源識別內(nèi)容，詳細(xì)如下。

1　永磁同步電機(jī)噪聲實(shí)驗(yàn)及分析

針對永磁同步電機(jī)的基本情況，展開對永磁同步電機(jī)噪聲實(shí)驗(yàn)分析，實(shí)驗(yàn)的目的是，在多工況條件下，對永磁同步電機(jī)的噪聲信號進(jìn)行測定，并對具體噪聲特征進(jìn)行研究，為發(fā)生機(jī)理分析提供基礎(chǔ)?，F(xiàn)本文以某一具體型號的永磁同步電機(jī)為研究對象，其具體參數(shù)如下表1所示。

表1　某一具體型號永磁同步電機(jī)參數(shù)

在確定研究對象后，對測試臺展開分析，具體的測試臺結(jié)構(gòu)如下圖1所示，按照圖1所構(gòu)建的測試臺，保障電機(jī)轉(zhuǎn)軸與測功機(jī)相連接，并借助夾緊片對定子進(jìn)行固定，具體固定到的位置在定位圈。且轉(zhuǎn)軸的2端通過軸承支撐在支座上，為避免測試現(xiàn)場聲音過于巨大，測試中運(yùn)用隔音罩進(jìn)行隔音。

圖1　測試臺布置方式

測試臺布置完成后，對測試臺的工況進(jìn)行分析。首先，為保障測試信息的可靠性，需要合理的對噪聲測試點(diǎn)進(jìn)行布置，本文主要在距離電機(jī)中心正上方350 mm處布置測試點(diǎn)，促使測試點(diǎn)能夠?qū)τ来磐诫姍C(jī)噪聲進(jìn)行測定，減少外界因素的干擾。具體的永磁同步電機(jī)噪聲源識別，可在穩(wěn)定工況下展開，也可識別加速等工況下的噪聲情況。額定狀態(tài)下，測試臺及永磁同步電機(jī)的負(fù)載扭矩為2.7 N·m，且額定轉(zhuǎn)速為3 600 r/min，促使永磁同步電機(jī)保持額定轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動(dòng)，由噪聲測點(diǎn)完成對噪聲識別與采集。對于加速工況的噪聲信號采集的具體流程為：保持電機(jī)負(fù)載扭矩不變，并使得永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制在1 500 r/min，再調(diào)整逐漸對永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行增加，逐漸增加到5 000 r/min，并采集這一過程的數(shù)據(jù)信息。經(jīng)過測試分析，可以得到如下幾點(diǎn)結(jié)論，分別為：

1)永磁同步電機(jī)噪聲存在明顯的階次特性，含有偶數(shù)階諧波噪聲、對應(yīng)噪聲峰值頻率為電源頻率的偶數(shù)倍；2)變頻器開關(guān)頻率9 000 Hz為中心，附近存在顯著峰值；3)還存在大量奇數(shù)階與分?jǐn)?shù)階諧波噪聲。

通過對額定工況下噪聲與加速工況下噪聲的研究，可以分析加速工況下噪聲階次以9 000 Hz為中心，且向兩側(cè)移動(dòng)，當(dāng)兩者的頻率重合時(shí)，選擇額定工況下噪聲信號進(jìn)行識別，不利于對兩種階次特征的識別[5]。此外，加速工況下，噪聲信號有助于觀測永磁同步電機(jī)的共振區(qū)域。故此，文章主要選擇加速工況的噪聲展開噪聲源識別。借助上述加速工況下噪聲，可得到加速工況下永磁同步電機(jī)噪聲A計(jì)權(quán)聲壓級時(shí)頻圖，詳細(xì)如下圖2所示。

圖2　加速工況下永磁同步電機(jī)噪聲A計(jì)權(quán)聲壓級時(shí)頻

結(jié)合上圖，可實(shí)現(xiàn)對噪聲的分類，總共可分為5類噪聲，分別為分?jǐn)?shù)階噪聲，6k階噪聲、6k±1和6k±2噪聲、以開關(guān)頻率(9 000 Hz)為中心的噪聲階次、共振噪聲。上述5類噪聲在永磁同步電機(jī)加速工況下，均有所存在。且可以發(fā)現(xiàn)，永磁同步電機(jī)噪聲階次越高，對電機(jī)噪聲的貢獻(xiàn)也越大。

2　噪聲階次特征分析

2.1　噪聲階次特征產(chǎn)生機(jī)理

為了解具體造成永磁同步電機(jī)噪聲，本文對其產(chǎn)生機(jī)理展開理論分析。

1)氣隙磁勢

先假定相關(guān)條件，包括磁路不飽和、磁性條件為線性，鐵芯的磁阻干擾忽略，定子槽為矩形或梯形，且存在h次時(shí)間諧波電流[6]。且能夠得到具體永磁體的磁場分布情況，詳細(xì)如下圖3所示。

圖3　永磁體磁場分布情況

再進(jìn)一步研究分析，可得到具體的氣隙磁勢的具體表達(dá)式，如下公式(1)所示。

(1)

2)氣隙磁導(dǎo)

開槽主要以2種方式影響，包括減少了每極磁通，可引入卡特系數(shù)Kc，還對永磁體的氣隙內(nèi)磁場分不到造成影響，展開詳細(xì)研究與分析，其中，磁導(dǎo)函數(shù)，可選擇如下公式(2)描述。

(2)

3)氣隙磁通密度

結(jié)合h次時(shí)間諧波電流的永磁同步電機(jī)氣隙磁通密度的基本情況，可以得到f(θ，t)與λ(θ)之間存在明顯聯(lián)系，即為b(θ，t)=f(θ，t)×λ(θ)。通過進(jìn)一步計(jì)算，可對具體的磁通密度頻率進(jìn)行求解。

4)徑向力波與徑向集中電磁力

可以得到徑向集中電磁力的頻率與徑向力波的頻率相同，且可得到6階代數(shù)精度。詳細(xì)如下公式(3)所示。

(3)

5)永磁同步電機(jī)聲輻射與階次頻率分析

永磁同步電機(jī)在實(shí)際的工作中，外轉(zhuǎn)子受到徑向力波的影響，導(dǎo)致振動(dòng)的產(chǎn)生，進(jìn)而造成永磁同步電機(jī)噪聲產(chǎn)生[7]。根據(jù)永磁同步電機(jī)的基本情況，可選擇有限長圓柱形聲輻射模型進(jìn)行聲功率計(jì)算，詳細(xì)為：

(4)

上述模型中，ρ0表示介質(zhì)密度，C表示介質(zhì)中的傳播速度，lcL(ωr)則用于描述相對聲強(qiáng)系數(shù)。且可以得到外轉(zhuǎn)子振動(dòng)與徑向力波的頻率相同，并發(fā)現(xiàn)定子上的特征頻率與外轉(zhuǎn)子的振動(dòng)頻率相同。進(jìn)一步分析，可以發(fā)現(xiàn)永磁同步電機(jī)電磁振動(dòng)與噪聲特征頻率處的幅值與激勵(lì)源和定轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)之間存在明顯關(guān)聯(lián)，且由二者固有特性決定，如果激勵(lì)源頻率與固有頻率相接近，則可誘發(fā)振動(dòng)，最終造成大噪聲的產(chǎn)生。

2.2　不同影響因素下電磁激勵(lì)階次特征分析

結(jié)合上述內(nèi)容分析后，了解到永磁同步電機(jī)噪聲特征的基本影響因素，進(jìn)一步研究了幾種影響因素下電磁激勵(lì)階次特征。

2.2.1理想條件下的電磁力階次特征

所謂理想條件下，即為在加速工況下，永磁同步電機(jī)不發(fā)生偏心，且三相電流為正弦波。在這種情況下，可借助麥克斯韋應(yīng)力張量法，則可對徑向力波進(jìn)行推算，詳細(xì)公式為(5)所示。

(5)

公式中，Pr用于描述理想狀態(tài)下的徑向力波，brs用于描述氣隙磁密，μ0表示真空磁導(dǎo)率。永磁同步電機(jī)加速工況下，氣隙磁場涵蓋永磁體及繞組所產(chǎn)生的磁場，且2種磁場均為旋轉(zhuǎn)磁場。其會(huì)隨著時(shí)間及空間變化而產(chǎn)生變化，定子開槽對氣隙磁場的空間分布具有影響，為實(shí)現(xiàn)修正，可借助氣隙比磁導(dǎo)實(shí)現(xiàn)[8]。本文選擇6極9槽永磁同步電機(jī)，其符合文中氣隙磁勢所假定的相關(guān)條件，故此，在具體的氣隙磁勢、氣隙磁導(dǎo)、氣隙磁通密度等的計(jì)算中，均可按上述模型展開計(jì)算和分析。此外，由于開槽對磁密的頻率特征無影響，故此，在具體的徑向力階次特征分析時(shí)，可將開槽因素忽略。經(jīng)過進(jìn)一步研究可以發(fā)現(xiàn)，理想條件下，徑向力波的頻率特征與電流基頻之間存在聯(lián)系，且為偶數(shù)倍。結(jié)合加速工況下的測定結(jié)果，可發(fā)現(xiàn)6極永磁同步電機(jī)，其6k階包含，6、12、18…78等，其噪聲主要來源均為永磁體和電流基波磁密作用下的電磁激勵(lì)。

2.2.2電流諧波誘發(fā)的電磁力階次特征

當(dāng)前，永磁同步電機(jī)多以變頻器供電，其可達(dá)到電機(jī)調(diào)速的目的，并實(shí)現(xiàn)節(jié)能效果。本文所選擇永磁同步電機(jī)是以變頻器供電。但是，具體的變頻器供電中，其電流波形發(fā)生變化，不再是正弦波。電流夾雜著大量的電流諧波。這些諧波的存在，使得電磁力的頻率復(fù)雜化，并增強(qiáng)了永磁同步電機(jī)相關(guān)結(jié)構(gòu)共振的幾率。故此，在實(shí)施永磁電機(jī)噪聲的實(shí)驗(yàn)中，需要展開對電機(jī)相電流的監(jiān)控工作。如下圖4所示，為加速工況下的電機(jī)相電流情況。

圖4　加速工況下的電機(jī)相電流情況

結(jié)合上圖，可以將電機(jī)的電流諧波歸結(jié)為2大類，分別為電流基頻的(6k±1)倍電流諧波，涵蓋幅值5、7、11、13次諧波，另外一種，則是以開關(guān)頻率(9 000 Hz)為中心對稱分布的頻率類型，如fc±2f0等。進(jìn)一步分析，可以發(fā)現(xiàn)頻率為fn的電流諧波的徑向力波的頻率特征為nf0±fn。從而可以得到具體的電磁諧波產(chǎn)生的主要徑向力波階次，且可以發(fā)現(xiàn)，以開關(guān)頻率為中心對稱分布的頻率類型，可在頻率特征為nf0±fn中發(fā)現(xiàn)，故此，可對電流諧波階次進(jìn)行調(diào)整，可調(diào)整為fc±af0或是fc±(a+1)f0。

2.2.3轉(zhuǎn)子動(dòng)態(tài)偏心誘發(fā)的電磁力特征

永磁同步電機(jī)在實(shí)際的生產(chǎn)制造中，可能會(huì)受到一些因素的影，導(dǎo)致永磁同步電機(jī)出現(xiàn)制造失誤?；蚴牵瑢?shí)際安裝過程中，存在安裝失誤，軸承磨損等因素等。這些因素的影響均可能會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)子發(fā)生偏心。具體的偏心情況，如下圖5所示。

圖5　轉(zhuǎn)子偏心情況

上圖5中，清晰的展示了轉(zhuǎn)子偏心的情況，其中偏心距為ed。并發(fā)現(xiàn)，永磁同步電機(jī)出現(xiàn)動(dòng)態(tài)偏心后，氣隙的長度會(huì)發(fā)生變化。這種情況下，會(huì)造成額外頻率的徑向力波。為實(shí)現(xiàn)對其的消除和控制，可通過引入修正系數(shù)的方式進(jìn)行修正。再對具體動(dòng)態(tài)偏心下的徑向力波進(jìn)行分析和計(jì)算，并可以發(fā)現(xiàn)由轉(zhuǎn)子動(dòng)態(tài)偏心所產(chǎn)生的空間低階徑向力波，會(huì)對永磁同步電機(jī)造成影響，進(jìn)而導(dǎo)致噪聲增加的情況[9-11]。且具體造成的徑向力波的特征為6k±1與6k±2，與圖1中的7、8、17等均源自于動(dòng)態(tài)偏心。

3　永磁同步電機(jī)固有特性及噪聲貢獻(xiàn)量分析

結(jié)合永磁同步電機(jī)噪聲實(shí)驗(yàn)，可以發(fā)現(xiàn)具體的噪聲中，存在明顯的“固定區(qū)域”噪聲，這部分噪聲則可理解為源自于結(jié)構(gòu)共振產(chǎn)生的噪聲。為對其進(jìn)行識別，并為降噪提供參考，需要對永磁同步電機(jī)展開模態(tài)分析，詳細(xì)如下。

3.1　定子有限元分析

結(jié)合定子和轉(zhuǎn)子的基本情況，且發(fā)現(xiàn)定子表面無法安裝速度傳感器，則無法對已安裝的定子展開模態(tài)實(shí)驗(yàn)。故此，可通過有限元分析的方式，構(gòu)建定子有限元模型，并模擬約束條件。分別對定子鐵芯及定子總成的模態(tài)實(shí)驗(yàn)。等效后的定子鐵芯及總成的模態(tài)頻率與實(shí)際頻率之間盡管存在誤差，但誤差處于1%～5%之內(nèi)，可以符合工程誤差標(biāo)準(zhǔn)，說明定子有限元模型符合實(shí)際情況，可用于約束條件下的模態(tài)參數(shù)預(yù)測。

對于約束條件下的模態(tài)參數(shù)分析，由于定子在圓弧邊夾緊片夾緊，故此，可將接觸處施加約束完成安裝后的條件模擬。如下圖6所示，則為約束條件得到具體頻率情況。

圖6　振型及頻率

且可發(fā)現(xiàn)，模態(tài)頻率處于圖1的1 180～1 389 Hz、3 200～3 425 Hz、2 411～2 882 Hz幾個(gè)共振區(qū)域內(nèi)，均可理解為共振對應(yīng)的定子模態(tài)。噪聲源即為共振。

3.2　轉(zhuǎn)子模態(tài)分析

本文選擇的永磁同步電機(jī)為6極9槽電機(jī)，其在發(fā)生轉(zhuǎn)子偏心后，會(huì)產(chǎn)生一階不平衡磁拉力。且當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到5 000 r/min后，具體的頻率為167 Hz。同樣對轉(zhuǎn)子展開有限元模態(tài)分析，且能夠得到電機(jī)在整個(gè)轉(zhuǎn)速運(yùn)行范圍內(nèi)，未出現(xiàn)轉(zhuǎn)子的共振。說明噪聲貢獻(xiàn)最大的為定子模態(tài)，轉(zhuǎn)子模態(tài)的影響相對較低。

此外，還存在一些噪聲源不夠明顯的共振區(qū)，且與轉(zhuǎn)子和定子模態(tài)無關(guān)，故此，可將其推測為夾具或臺架本身的固有特性。

在具體的噪聲貢獻(xiàn)分析中，發(fā)現(xiàn)永磁體磁場和低階次電流諧波所產(chǎn)生的噪聲和以開關(guān)頻率為中心分布的高頻噪聲的貢獻(xiàn)最大，動(dòng)態(tài)偏心所產(chǎn)生的噪聲相對較小。

4　結(jié)　語

本文研究分析基于階次分析的永磁同步電機(jī)噪聲源識別展開研究。文章先對具體永磁同步電機(jī)的噪聲實(shí)驗(yàn)展開研究，得到具體永磁同步電機(jī)的噪聲情況。并在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步對噪聲階次特征產(chǎn)生機(jī)理及不同影響因素下噪聲階次的特征展開研究，對電流諧波產(chǎn)生的噪聲，以開關(guān)頻率為中心的電磁噪聲等展開研究，轉(zhuǎn)子動(dòng)態(tài)偏心噪聲展開研究，確認(rèn)幾種永磁同步電機(jī)的噪聲源。對共振區(qū)噪聲展開分析，實(shí)施轉(zhuǎn)子、定子模態(tài)有限元分析，確認(rèn)具體共振中定子為主要噪聲源。最后，明確不同噪聲源噪聲貢獻(xiàn)。從而為永磁同步電機(jī)的降噪和節(jié)能提供參考，發(fā)揮永磁同步電機(jī)的功能性與可靠性。